Термоядерные реакции во Вселенной
Термоядерные реакции в звездах являются основным источником энергии звезд и механизмом образования ядер химических элементов. Для нормальных звезд главным процессом является сгорание водорода и превращение его в гелий. Четыре протона через цепочку ядерных реакций превращаются в ядро гелия 
, два позитрона и два нейтрино c выделением энергии Q = 26, 73 МэB. Этот результат получается в водородном цикле (p,p) и в углеродно-азотном цикле (C,N):
Самоподдерживающиеся термоядерные реакции являются эффективным источником ядерной энергии. Однако осуществить их на Земле сложно, так как для этого нужно удерживать высокие концентрации ядер при огромных температурах. Необходимые условия для протекания самоподдерживающихся термоядерных реакций имеются в звёздах, где они являются главным источником энергии. Так внутри Солнца, где находятся ядра водорода при плотности ≈100 г/см 3 и температуре 10 7 К, идёт цепочка термоядерных реакций превращения четырёх протонов (ядер водорода) в ядро гелия-4 ( 4 Не). При каждом таком превращении выделяется энергия 26.7 МэВ.
Углеродно-азотный цикл – последовательность термоядерных реакций в звездах с участием катализаторов, приводящая к образованию гелия из водорода.
Для звезд-гигантов с плотными, выгоревшими (по содержанию H) ядрами существенны гелиевый и неоновый циклы термоядерных реакций. Они протекают при значительно более высоких температурах и плотностях, чем PP–CN-циклы. Основной реакцией гелиевого цикла, идущей начиная с T ≈ 200 млн. К, является т. н. процесс Солпитера (3α-реакция):
(процесс двухступенчатый, идущий через промежуточное ядро 8 Be).
Далее могут следовать реакции: 
,
;
в этом состоит один из механизмов нуклеосинтеза – создание химических элементов.
Если продукты реакции гелиевого цикла вступят в контакт с Н, то осуществляется неоновый (Ne – Na) цикл, в котором ядро 20 Ne играет роль катализатора для процесса сгорания Н в Не. Последовательность реакций здесь вполне аналогична CN-циклу, только ядра 12 C, 13 N, 13 C, 14 N, 15 O, 15 N заменяются соответствующими ядрами 20 Ne, 21 Na, 21 Ne, 22 Na, 23 Mg, 23 Na. Мощность этого цикла как источника энергии невелика. Но он, по-видимому, имеет большое значение для нуклеосинтеза, т. к. одно из промежуточных ядер цикла ( 21 Ne) может служить источником нейтронов:
(аналогичную роль может играть и ядро 13 C, участвующее в CN-цикле). Последующий «цепной» захват нейтронов, чередующийся с процессами β-распада, является механизмом синтеза все более тяжелых ядер.
На Земле самоподдерживающиеся термоядерные реакции с выделением огромной энергии осуществлялись в течение очень короткого времени (10 -7 –10 -6 сек) при взрывах водородных бомб. Одной из основных термоядерных реакций, обеспечивающих энерговыделение при таких взрывах, является реакция слияния двух тяжёлых изотопов водорода (дейтерия и трития) в ядро гелия с испусканием нейтрона:
2Н + 3 Н 
» width=»21″ height=»17″/> 4 Не + n.
При этом освобождается энергия 17.6 МэВ.
В настоящее время ведутся работы по созданию термоядерного реактора, где ядерную энергию в промышленных масштабах предполагается получать за счёт управляемого термоядерного синтеза.
Устройство для проведения термоядерных реакций – термоядерный реактор – находится в стадии разработки. Основное требование, которому должен удовлетворять реактор, заключается в том, чтобы энерговыделение в результате термоядерных реакций с избытком компенсировало затраты энергии от внешних источников на поддержание реакции.
Типы термоядерных реакторов
К первому относятся реакторы, которым энергия от внешних источников необходима только для зажигания термоядерной реакции. Далее реакция поддерживается за счет выделяющейся в плазме энергии. Например, в дейтерий-тритиевой смеси на поддержание высокой температуры ( Т ≈ 8 кэВ или 10 8 К) расходуется энергия α -частиц ( 3,52 МэВ), образующихся в ходе реакций при их кулоновском торможении в плазме.
К другому типу реакторов относятся те, в которых для поддержания горения реакций недостаточно энергии, выделяющейся в плазме в виде заряженных продуктов реакции, а необходима энергия от внешних источников. Такие реакторы принято называть реакторами с поддержанием горения термоядерных реакций. Это происходит в тех реакторах, где велики энергетические потери, например открытая магнитная ловушка.
Конструкции реакторов
1. Квазистационарные системы. Нагрев и удержание плазмы осуществляется магнитным полем при относительно низком давлении и высокой температуре. Для этого применяются реакторы в виде токамаков, стеллараторов (торсатронов) и зеркальных ловушек, которые отличаются конфигурацией магнитого поля. Реактор ITER имеет конфигурацию токамака.
Квазисимметричный стелларатор (токамак)
2. Импульсные системы. В таких системах УТС осуществляется путем кратковременного нагрева небольших мишеней, содержащих дейтерий и тритий, сверхмощными лазерными или ионными импульсами. Такое облучение вызывает последовательность термоядерных микровзрывов.
Исследования первого вида термоядерных реакторов существенно более развиты, чем второго. В ядерной физике, при исследованиях термоядерного синтеза, для удержания плазмы в некотором объёме используется магнитная ловушка. Магнитная ловушка призвана удерживать плазму от контакта с элементами термоядерного реактора, т.е. используется в первую очередь как теплоизолятор. Принцип удержания основан на взаимодействии заряженных частиц с магнитным полем, а именно на вращении заряженных частиц вокруг силовых линий магнитного поля. К сожалению, замагниченная плазма очень не стабильна и стремится покинуть магнитное поле. Поэтому для создания эффективной магнитной ловушки используются самые сверхмощныме электромагниты, потребляющее огромное количество энерги
Источник
Термоядерные реакции во Вселенной
Термоядерные реакции во Вселенной играют двоякую роль — как основной источник энергии звёзд и как один из основных механизмов нуклеосинтеза. Для нормальных гомогенных звёзд, в т. ч. Солнца, главным процессом экзоэнергетического ядерного синтеза является сгорание H в Не, точнее, превращение 4 протонов в ядро 4 He, 2 позитрона и 2 нейтрино. Этот результат можно получить двумя путями:
1) в протон — протонной (pp) цепочке, или водородном цикле;
2) в углеродно-азотном цикле (CN).
Для звёзд-гигантов с плотными, выгоревшими (по содержанию H) ядрами, существенны гелиевый и неоновый циклы термоядерных реакций; они протекают при значительно более высоких температурах и плотностях, чем pp— и CN-циклы. Основной реакцией гелиевого цикла, идущей начиная с T » 2*10 8 K, является реакция:
3 4 He ® 12 С + γ1+g2 + 7,3 МэВ (3.9.7)
Далее могут следовать реакции:
12 С+ 4 He ® 16 O + g , 16 О+ 4 He ® 20 Ne + g; (3.9.8)
в этом состоит один из механизмов нуклеосинтеза.
Если продукты реакции гелиевого цикла вступят в контакт с H, то осуществляется неоновый (Ne — Na) цикл, в котором ядро 20 Ne играет роль катализатора для процесса сгорания H в Не.
Последовательность реакций здесь вполне аналогична CN-циклу, только ядра 12 С, 13 N, 13 C, 14 N, 15 O, 15 N заменяются соответствующими ядрами 20 Ne, 21 Na, 21 Ne, 22 Na, 23 Mg, 23 Na. Мощность этого цикла как источника энергии невелика. Однако он, по-видимому, имеет большое значение для нуклеосинтеза, т. к. одно из промежуточных ядер цикла ( 21 Ne) может служить источником нейтронов:
21 Ne+ 4 He ® 24 Mg + n (3.9.9)
(аналогичную роль может играть и ядро 13 C, участвующее в CN-цикле).
Последующий «цепной» захват нейтронов, чередующийся с процессами b— распада, является механизмом синтеза всё более тяжёлых ядер.
Cpедняя интенсивность энерговыделения e в типичных звёздных термоядерных реакциях по земным масштабам ничтожна; так, для Солнца (в ср. на 1 г солнечной массы) e = 2 эрг/с · г. Это гораздо меньше, например, скорости энерговыделения в живом организме в процессе обмена веществ, а обычная электрическая лампочка по мощности эквивалентна многим тоннам солнечного вещества. Однако вследствие огромной массы Солнца (2×10 33 г) полная излучаемая им мощность (4×10 26 Bт) столь велика (она соответствует ежесекундному уменьшению массы Солнца
на 4 млн. т), что даже ничтожной её доли достаточно, чтобы оказывать решающее влияние на энергетический баланс земной поверхности, жизни и т. д.
Благодаря колоссальным размерам и массам Солнца и звёзд, в них идеально решается проблема удержания (в данном случае гравитационного) и термоизоляции плазмы: термоядерные реакции протекают в горячем ядре звезды, а теплоотдача происходит с удалённой от ядра и гораздо более холодной поверхности. Только поэтому звёзды могут эффективно генерировать энергию в таких медленных процессах, как pp— и CN-циклы. В земных условиях эти процессы практически неосуществимы.
Характерные реакции параметры водородного углеродного циклов
1. Водородный цикл
(n,g)
2. Углеродный цикл
7 млн
10 6 лет
10 8 лет
10 5 лет
Полное энерговыделение в pp — цикле 26,2 МэВ в СN — цикле 25 МэВ
Характерные времена реакций рассчитаны для условий в центре Солнца: T » 1,5 ×10 7 К, Плотность водорода » 100 г/см 3 .
Источник
ТЕРМОЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ ВО ВСЕЛЕННОЙ
Научно-технический энциклопедический словарь .
Смотреть что такое «ТЕРМОЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ ВО ВСЕЛЕННОЙ» в других словарях:
ТЕРМОЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ — ядерные реакции между лёгкими ат. ядрами, протекающие при очень высоких темп рах (=108К и выше). Высокие темп ры, т. е. достаточно большие относительные энергии сталкивающихся ядер, необходимы для преодоления электростатич. барьера,… … Физическая энциклопедия
Термоядерные реакции — ядерные реакции между лёгкими атомными ядрами, протекающие при очень высоких температурах (порядка 107 К и выше). Высокие температуры, то есть достаточно большие относительные энергии сталкивающихся ядер, необходимы для преодоления… … Большая советская энциклопедия
НУКЛЕОСИНТЕЗ — (от лат. nucleus ядро и греч. synthesis соединение, составление), цепочка ядерных реакций, ведущая к образованию тяжёлых ат. ядер из других, более лёгких ядер. Теория Н. стремится объяснить распространённость (иногда говорят обилие) хим.… … Физическая энциклопедия
Звёздная эволюция — в астрономии последовательность изменений, которым звезда подвергается в течение её жизни, то есть на протяжении сотен тысяч, миллионов или миллиардов лет, пока она излучает свет и тепло. В течение таких колоссальных промежутков времени… … Википедия
Звезда — У этого термина существуют и другие значения, см. Звезда (значения). Плеяды Звезда небесное тело, в котором идут, шли или будут идти … Википедия
Красный карлик — в представлении художника Красный карлик согласно диаграмме Герцшпрунга Рассела, маленькая и относительно холодная звезда главной последовательности, имеющая спектраль … Википедия
Солнце — У этого термина существуют и другие значения, см. Солнце (значения). Солнце … Википедия
Светило — Солнце Основные характеристики Среднее расстояние от Земли 1,496×1011 м (8,31 световых минут) Видимая звёздная величина (V) −26,74m … Википедия
Физика — I. Предмет и структура физики Ф. – наука, изучающая простейшие и вместе с тем наиболее общие закономерности явлений природы, свойства и строение материи и законы её движения. Поэтому понятия Ф. и сё законы лежат в основе всего… … Большая советская энциклопедия
Нейтрино — (итал. neutrino, уменьшительное от neutrone нейтрон) электрически нейтральная элементарная частица с массой покоя много меньшей массы электрона (возможно равной нулю), Спином 1/2 (в единицах постоянной Планка ħ) и исчезающе малым, по… … Большая советская энциклопедия
Источник